实验 pn 结正向压降温度特性研究
【实验目的】
1、了解pn 结正向压降随温度变化的基本关系式.
2、在恒定正向电流下,测绘pn 结正向压降随温度变化曲线,并由此确定其灵敏度.
3、学习用pn 结测温的方法.
【实验仪器】
1、DH-PN-1型pn 结正向压降温度特性实验仪
【实验原理】
1、pn 结
在一块完整的硅或锗上用不同的工艺掺入杂质,使得其一半成为P 型半导体,而另一半成为N 型半导体,那么,在这两种半导体的交界处就会形成pn 结.
在P 型与N 型半导体结合后,由于P 型半导体具有较高浓度的空穴,而N 型半导体具有较高浓度的自由电子,在他们交界处的两边就出现了电子与空穴的浓度差别.从而,电子与空穴都要朝着较低浓度的方向扩散.这种扩散作用,使得在P 、N 交界处之间形成了具有一定大小的扩散电流.
另一方面,由于P 型半导体中空穴的流失,使得P 型半导体中留下了一定量带负电的离子;而N 型半导体中由于电子的流失,使得其中留下了一定量的正离子.由于正负电荷之间的相互作用,使得在交界薄膜中形成了从N 型半导体指向P 型半导体的空间电场.而空间电场的形成使得一部分的空穴与电子沿与扩散相反的方向运动,形成漂移电流.
空穴与自由电子的扩散使得空间电场增强,而空间电场的增强却又抑制空穴与电子的扩散,从而,在一段时间之后,扩散电流将与漂移电流达到动态平衡.而在P 型与N 型半导体的两侧则会留下不能自由移动的离子薄层,而这个离子薄层
在P 、N 半导体交界面附近所构成的过渡区（空间电荷区）, 图1 PN 结 即称为pn 结.
2、pn 结的正向压降温度特性
根据pn 结理论, pn 结的伏安特性可表达如下:
01F qU kT F I I e ⎛⎫=- ⎪⎝⎭
（1-1） 式中F I 为通过pn 结的正向电流, F U 为其正向电压, 0I 为反向饱和电流; q 为电子的电荷量, T 为绝对温度23
1.3810
/k J K -=⨯是玻尔兹曼常量当正向电压0.1F U V >时, 3.9501F
qU kT
e
e ≈≈?,故上式可近似为
0F
qU kT
F I I e
= （1-2）
由式（1-2）得
0ln ln F
qU kT
F I I e
=
⇒ 0ln ln F F qU
I I kT =+
又 0g
qU kT
I BT e
γ-=
⇒ ()ln ln F F g q I BT U U kT γ=+-
ln F g F kT BT U U q I γ⎛⎫=- ⎪⎝⎭
(1-3) 式（1-3）即为pn 结两端正向电压与其温度、通过电流之间的关系.其中, g U 为0K 时材料的导带底与价带顶间的电势差, B 是与温度无关的实验常数, T γ
是与温度有关的函数项, γ为与热激发所引起的电子迁移
率有关的系数.
取F I 为一常数,则（1-3）式转化为通过pn 结的电压F U 与pn 结温度T 之间的关系. 对F U 取一阶导数,得
ln F
F dU k BT q I dT
γγ⎛⎫=-+ ⎪⎝⎭ （1-4） F
dU dT
即代表了F U T -图线的斜率,由（1-4）可以看出, 斜率为负,F U 随温度T 的上升而下降. 对F U 取二阶导数,得
22F d U k qT dT
γ=- （1-5） 其中，23
1.3810
k -=⨯、19
1.6010
q -=⨯,取 3.4γ=,293.15T =得，
262 1.0100F d U k qT dT
γ-=-≈⨯→ 即, F U T -图线的斜率可近似认为一常数, F U T -可近似认为是一条直线. 根据（1-3）式
ln ln ln F g g F F kT kT kT BT B U U U T q I q I q γγ⎛⎫=-=-- ⎪⎝⎭
(1-6) 设,温度为1T 时,电势差为1U
1
1
11ln ln g F
kT kT B
U U T q
I q
γ=-
-
又 ln ln g F F kT
kT B
U U T q
I q
γ-=+
得 ()
1
1
11ln g g F T kT T U U U U T
q T γ
⎛⎫
=---
⎪⎝⎭
(1-7) 由上推导可知, F U 应与T 呈线性关系,故设
()(
)11F
F U U T U T T T ∂=+
-∂
()1()g
F
F U U k U T T T q
γ-=--- ()(
)1
1g
F F U
U T k U T T T q γ
-=-
-- (1-8)
令 ()()11111ln kT T k U U T U T T q q T γ
γ⎛⎫
=-=--+ ⎪⎝⎭
V (1-9) 设300T K =、1310T K =，取 3.4γ=可得0.048U mV =V ,而相应的正向压降则改变了20mV ,差值约为417倍,相比之下,误差甚小.不过当温度变化过大之后F U T -图线的线性误差将有所递增.
由于F U 与T 呈很好的线性相关性,故可利用F U 的细微变化来测量当前环境的温度.这也是温敏二极管测温的基本原理.
【实验步骤】
1、打开pn 结正向压降温度特性实验仪并调节加热电流值为零,记录起始温度.
2、将“测量选择”开关调节到F I 档,调节F I 旋钮,使得面板上F I 的值为零.
3、将“测量选择”开关调节到F U 档,记下初始时的F U 值.
4、将“测量选择”开关调节到U V ,调节调零旋钮,使得0U =V .
5、调节加热电流为0.500A ,并记录所对应的U V 和T 值.当U V 每改变10mV 时记录一次T 值.直到pn 结温度达到大约100℃为止.
6、画出U T -V 图像,并求被测pn 结正向压降随温度变化的灵敏度()/S mV ℃. 8、估算被测pn 结材料的禁带宽度g g E qU =.
9、实验结束,收拾仪器.
注意事项
1、加热装置的温升不应超过120℃,长期的过热使用,将造成接线老化,甚至脱焊.
2、加热电流不应大于0.500A ,若长期使加热电流过大,会使得仪器未来的加热效率变低.
3、使用完毕后即应切断电源,以避免长时间加热引起的安全事故.
【实验数据整理】
表一：-U T V 测量数据
其中,初始正向电压0667U mV =.
【数据处理过程及结论】
数据处理
1、根据数据,画出U T -V 图像如下
d e t U
T
通过线性拟合,得到 2.0337.75U T =-+V ,2
0.99995R =
2、由 2.0337.75U T =-+V 得到被测pn 结正向压降随温度变化的灵敏度为： 2.03/S mV =-℃.
3、被测pn 结材料的禁带宽度
()0g g E qU q U S T ==-V
[667 2.03(18.2273.15)]q =+⨯+
1.26eV ≈
实验结论 1、通过本次实验,测得pn 结两端正向电压与其上的温度变化呈很好地线性关系.判断是因为温度升高导致P 、N 型半导体更容易激发出空穴与自由电子.加正向电压时,由于载流子浓度的上升,使得漂移作用更加明显,
pn 结的导电能力增强.宏观上表现为pn 结的电阻降低,故在相同的正向电流F I 下,温度上升将导致pn 结的
正向电压F U 下降.故以此推测:由于在温度过高的情况下, pn 结内载流子浓度的迅速增加（温度上升,使得空穴与自由电子的运动速度上升,在一定程度后,它们将有足够的能量撞击半导体分子,使得共价键被破坏,逸出更多的电子）,这将导致pn 结的正电压迅速下降,故原理中的线性推导在温度过高时将不在适用,则温敏二极管不能准确测量较高的温度.
2、通过本次实验,测得待测pn 结正向压降随温度的变化关系具体可表示为
2.0337.75U T =-+V
其正向电压随温度变化的灵敏度 2.03/S mV =-℃.
3、通过本次实验测得被测pn 结材料的禁带宽度 1.26g E eV ≈.。